(57)【要約】【課題】燃料電池の発電安定性をさらに向上させる。【解決手段】ガス供給配管２０から、図の破線で示す矢印の経路を通って、位置Ａおよび位置Ｂから積層モジュールへ反応ガスが供給される。さらに、ガス排出配管３０から、図の破線で示す矢印の経路を通って、位置Ａおよび位置Ｂから、収集された反応ガスが積層モジュール外へ排出される。このため、位置Ａから位置Ｂにかけてのガス流量の分配のばらつきが小さくなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルで利用された反応ガスを各電池セルから収集して排出する出力マニホールドと、
を有し、
前記出力マニホールドによって収集された反応ガスが、前記複数の電池セルの積層方向で互いに異なる複数の位置において前記出力マニホールドから排出される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記複数の電池セルで利用される反応ガスを各電池セルへ分配する入力マニホールドをさらに有し、
前記入力マニホールドによって分配される反応ガスが、前記複数の電池セルの積層方向で互いに異なる複数の位置において前記入力マニホールドへ供給される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記出力マニホールドに接続されたガス排出配管および前記入力マニホールドに接続されたガス供給配管のうちの少なくとも一方に可変バルブが設けられ、当該可変バルブによって反応ガスの流量が制御される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
積層された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルで利用される反応ガスを各電池セルへ分配するする入力マニホールドと、
前記複数の電池セルで利用された反応ガスを各電池セルから収集して排出する出力マニホールドと、
を有し、
前記入力マニホールドへ供給される反応ガスおよび前記出力マニホールドから排出される反応ガスのうちの少なくとも一方が、複数の箇所から供給または排出され、
前記複数の電池セルへの反応ガスの分配状況に応じて、前記複数の箇所から供給または排出される反応ガスの流量が調整される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記複数の電池セルへの反応ガスの分配状況は、各電池セルの電圧に基づいて判断される、
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池で利用される反応ガスの供給や排出の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。一般に、燃料電池は、上述した化学反応をおこす電池セルを何枚も重ねて形成される。各電池セルは、例えば、膜電極接合体を二枚のセパレータで挟んだ構造になっている。
【０００３】
積層された複数の電池セルの各々は、反応ガス（燃料ガスや酸素ガス）を必要とする。このため、複数の電池セルが積層された燃料電池には、反応ガスを供給するガス流路が形成され、このガス流路によって各電池セルに反応ガスが供給され、また、各電池セルから反応ガスが排出される。従来から、燃料電池における反応ガスの供給、排出に関する様々な技術が知られている。
【０００４】
例えば、積層された複数の電池セルの積層方向の一端部から反応ガスを供給し、積層方向の一端部から反応ガスを排出する手法が知られている（特許文献１など）。また、複数の電池セルの積層体（燃料電池スタック）の一方端から反応ガスを供給し、積層体内の流路を反応ガスが流れて、積層体の両端部の電池セルに反応ガスが送られてから中央部の電池セルへ反応ガスが送られる手法も知られている（特許文献２など）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７９０６１号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、積層方向の一端部から反応ガスを供給する場合、供給端部から遠い位置に存在する電池セルほど反応ガスの流量が少なくなり、その結果、供給端部から遠い電池セルほど発電時の電圧が低下する恐れがある。複数の電池セル間における電圧偏差が大きいことは、燃料電池全体としての発電安定性の面で好ましくない。
【０００７】
また、積層体の両端部の電池セルに反応ガスを送ってから中央部の電池セルへ反応ガスを送る手法により、一端部から反応ガスを供給する場合に比べれば発電安定性の向上が期待される。しかし、発電安定性をさらに向上させる余地が残されているのも事実である。
【０００８】
本発明は、こうした背景においてなされたものであり、その目的は、燃料電池の発電安定性をさらに向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、積層された複数の電池セルと、前記複数の電池セルで利用された反応ガスを各電池セルから収集して排出する出力マニホールドと、を有し、前記出力マニホールドによって収集された反応ガスが、前記複数の電池セルの積層方向で互いに異なる複数の位置において前記出力マニホールドから排出される、ことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、各電池セルで利用された反応ガス（燃料ガスまたは酸素ガスなど）が、例えば、電池セルの積層体内で一旦収集され、その後、その収集された反応ガスが複数の位置から積層体の外へ排出される。このため、収集された反応ガスが積層体の一端部から排出される場合に比べて、各電池セルごとの排出量のばらつきを小さくすることができ、燃料電池全体としての発電安定性が向上する。
【００１１】
望ましくは、前記複数の電池セルで利用される反応ガスを各電池セルへ分配する入力マニホールドをさらに有し、前記入力マニホールドによって分配される反応ガスが、前記複数の電池セルの積層方向で互いに異なる複数の位置において前記入力マニホールドへ供給される、ことを特徴とする。望ましくは、前記出力マニホールドに接続されたガス排出配管および前記入力マニホールドに接続されたガス供給配管のうちの少なくとも一方に可変バルブが設けられ、当該可変バルブによって反応ガスの流量が制御される、ことを特徴とする
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、積層された複数の電池セルと、前記複数の電池セルで利用される反応ガスを各電池セルへ分配する入力マニホールドと、前記複数の電池セルで利用された反応ガスを各電池セルから収集して排出する出力マニホールドと、を有し、前記入力マニホールドへ供給される反応ガスおよび前記出力マニホールドから排出される反応ガスのうちの少なくとも一方が、複数の箇所から供給または排出され、前記複数の電池セルへの反応ガスの分配状況に応じて、前記複数の箇所から供給または排出される反応ガスの流量が調整されることを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記複数の電池セルへの反応ガスの分配状況は、各電池セルの電圧に基づいて判断される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、燃料電池の発電安定性がさらに向上する。例えば、各電池セルごとの反応ガス排出量のばらつきや反応ガス供給量のばらつきを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を説明するための図であり、図１（Ａ）には、本実施形態の燃料電池１０の概略構成が示されている。図１（Ａ）に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、複数の電池セル４０を積層して形成される積層モジュールと、積層モジュールに反応ガスを供給するガス供給配管２０と、各電池セル４０へ反応ガスを分配する入力マニホールド４２と、各電池セル４０から反応ガスを収集する出力マニホールド４４と、積層モジュールから反応ガスを排出するガス排出配管３０と、を有している。
【００１７】
各電池セル４０は、例えば、二枚のセパレータで膜電極接合体を挟んだ構造である。二枚のセパレータは、互いにほぼ同じ形状であり、各々、略長方形の面を有する板状の部材である。また、膜電極接合体（MEA:Membrane Electrode Assembly）は、高分子化合物等からなる高分子電解質膜の両面にカーボンペーパー等からなるアノード電極およびカソード電極を張り合わせたものである。こうした板状の電池セル４０が複数積層されて積層モジュールが形成される。図１（Ａ）は、積層モジュールを側面から見た図に相当する。つまり、図の左右方向が電池セル４０の積層方向である。
【００１８】
各電池セル４０は、水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電力を発生する。このため、各電池セル４０には、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスが供給される。反応ガスは積層モジュールを積層方向に貫通する入力マニホールド４２や出力マニホールド４４を流れる。入力マニホールド４２や出力マニホールド４４は、例えば、各電池セル４０を構成するセパレータに形成された厚さ方向の孔などによって形成される。
【００１９】
本実施形態では、ガス供給配管２０から、複数の電池セル４０で利用される反応ガスが纏めて供給される。つまり、ガス供給配管２０から、図の破線で示す矢印の経路を通って反応ガス（例えば燃料ガス）が供給される。この際、複数の電池セル４０の積層方向で互いに異なる二つの位置（位置Ａおよび位置Ｂ）から積層モジュールへ反応ガスが供給される。そして、積層モジュール内の入力マニホールド４２を通って、位置Ａから位置Ｃに向かって各電池セル４０に反応ガスが供給され、また、位置Ｂから位置Ｃに向かって各電池セル４０に反応ガスが供給される。
【００２０】
さらに、本実施形態では、ガス排出配管３０から、複数の電池セル４０で利用された反応ガスが排出される。つまり、各電池セル４０で利用された反応ガスは、積層モジュール内の出力マニホールド４４を通って、位置Ａまたは位置Ｂに向かって流れ、そして、ガス排出配管３０から、図の破線で示す矢印の経路を通って反応ガスが排出される。この際、複数の電池セル４０の積層方向で互いに異なる二つの位置（位置Ａおよび位置Ｂ）から、収集された反応ガスが積層モジュール外へ排出される。
【００２１】
このように、本実施形態では、電池セル４０の積層方向で互いに異なる二つの位置（位置Ａおよび位置Ｂ）から積層モジュールへ反応ガスが供給され、また、二つの位置（位置Ａおよび位置Ｂ）から、収集された反応ガスが積層モジュール外へ排出される。このため本実施形態では、発電安定性を向上させることができる。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す燃料電池１０の各電池セル４０に分配される反応ガスのガス流量を説明するための図である。図１（Ｂ）の横軸は、複数の電池セル４０の積層方向の位置（積層位置）を示している。つまり、横軸は、位置Ａから位置Ｂまでの各積層位置を示している。また、図１（Ｂ）の縦軸は、各積層位置に存在する電池セル４０に分配される反応ガスの流量（ガス流量）を示している。
【００２３】
一般に、反応ガスが纏めて積層モジュール内へ供給される場合、供給部から遠い位置に存在する電池セル４０ほど反応ガスの流量が少なくなる。この現象は、積層モジュール内で収集された反応ガスが、供給部と同じ側から積層モジュール外へ排出される場合にさらに顕著となる（後に図２を利用して詳述する）。
【００２４】
これに対し、本実施形態では、位置Ａおよび位置Ｂから積層モジュールへ反応ガスが供給され、また、収集された反応ガスが位置Ａおよび位置Ｂから積層モジュール外へ排出される。つまり、本実施形態では、位置Ａから位置Ｃに向かって各電池セル４０に反応ガスが供給されるため、図１（Ｂ）に示すように、位置Ａに分配されるガス流量に比べて、位置Ｃへ向かうに従ってガス流量が徐々に少なくなるものの、位置Ｂからも反応ガスが供給されるため、図１（Ｂ）に示すように、位置Ｂに分配されるガス流量が多くなり、位置Ｂから位置Ｃへ向かうに従ってガス流量が徐々に少なくなる。
【００２５】
位置Ａおよび位置Ｂから供給される反応ガスの流量が同じであり、且つ、位置Ａおよび位置Ｂから排出される反応ガスの流量が同じである場合には、図１（Ｂ）に示すように、反応ガスの分配状況は、中央の位置Ｃを分配最弱部位として、左右にほぼ線対称なグラフで表現される。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態の発電安定性を説明するための図であり、図２（Ａ）には、本発明の比較例の燃料電池１０の概略構成が示されている。図２（Ａ）に示すように、比較例の燃料電池１０は、複数の電池セル４０を積層して形成される積層モジュールを有している。また、各電池セル４０には、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスが供給される。反応ガスは積層モジュール内の入力マニホールド４２や出力マニホールド４４を流れる。入力マニホールド４２や出力マニホールド４４は、例えば、各電池セル４０を構成するセパレータに形成された厚さ方向の孔などによって形成される。これらの点については、図１（Ａ）に示した燃料電池１０の構成と同じである。
【００２７】
しかし、図２（Ａ）に示す燃料電池１０では、複数の電池セル４０で利用される反応ガスが位置Ａの一箇所から纏めて供給され、さらに、複数の電池セル４０で利用され、収集された反応ガスが位置Ａの一箇所から排出される。このため、比較例では、本実施形態に比べて、複数の電池セル４０への反応ガスの分配のばらつきが大きくなる。
【００２８】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す燃料電池１０の各電池セル４０に分配される反応ガスのガス流量を説明するための図である。図２（Ｂ）の横軸は、複数の電池セル４０の積層方向の位置（積層位置）を示している。つまり、横軸は、位置Ａから位置Ｂまでの各積層位置を示している。また、図２（Ｂ）の縦軸は、各積層位置に存在する電池セル４０に分配される反応ガスの流量（ガス流量）を示している。
【００２９】
本比較例では、位置Ａの一箇所から積層モジュールへ反応ガスが供給され、また、収集された反応ガスが位置Ａの一箇所から積層モジュール外へ排出される。本比較例では、位置Ａから位置Ｂに向かって各電池セル４０に反応ガスが供給されるため、図２（Ｂ）に示すように、位置Ａに分配されるガス流量に比べて、位置Ｂへ向かうに従ってガス流量が徐々に少なくなる。特に、位置Ａから最も遠い位置Ｂにおいては、ガス流量の減少が顕著になる。
【００３０】
前述したように、各電池セル４０は、反応ガスから得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電力を発生する。このため、複数の電池セル４０の間で反応ガスのガス流量にばらつきが発生すると、例えば、電池セル４０の出力電圧にばらつきが発生し、発電安定性の面で好ましくない。また、分配最弱部位となる位置Ｂにおいてはガス流量が少ないため、例えば、化学反応によって発生した生成水を押し出す力が弱くなる可能性もある。
【００３１】
これに対し、図１を利用して説明した本発明の実施形態では、位置Ａおよび位置Ｂの二箇所で反応ガスの供給、排出が行われるため、図２（Ｂ）に示したような位置Ｂにおけるガス流量の減少がなく、また、図１（Ｂ）に示したように、位置Ａから位置Ｂにかけてのガス流量の分配のばらつきも小さくなる。
【００３２】
このため、図１の燃料電池１０は、図２のものに比べて、複数の電池セル４０に関する電圧偏差が小さくなり発電安定性が向上し、分配最弱部位におけるガス流量の著しい減少も回避できる。また、図２のものに比べて、化学反応によって発生した生成水を押し出す力の均等化も図られるため、例えば、フラッディングが発生しにくい。
【００３３】
このように、図１の燃料電池１０により発電安定性を向上させることができる。本発明では、位置Ａおよび位置Ｂの各々から供給、排出される反応ガスの流量を制御することによって、さらに、発電安定性を高めることができる。
【００３４】
図３は、本発明に係る燃料電池の好適な実施形態（変形例）を説明するための図であり、図３（Ａ）には、本変形例の燃料電池１０の概略構成が示されている。図３（Ａ）に示すように、変形例の燃料電池１０は、複数の電池セル４０を積層して形成される積層モジュールと、積層モジュールに反応ガスを供給するガス供給配管２０と、各電池セル４０へ反応ガスを分配する入力マニホールド４２と、各電池セル４０から反応ガスを収集する出力マニホールド４４と、積層モジュールから反応ガスを排出するガス排出配管３０と、を有している。これらの構成については、図１（Ａ）に示した燃料電池１０のものと同じである。図３（Ａ）に示す燃料電池１０は、ガス供給配管２０とガス排出配管３０に可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）が設けられている点において、図１の燃料電池１０と異なる。
【００３５】
図３（Ａ）の燃料電池１０のガス供給配管２０には、二つの可変バルブ５０ａ，５０ｂが設けられ、これらにより、位置Ａおよび位置Ｂの各々から積層モジュール内へ供給される反応ガスの流量が制御される。つまり、可変バルブ５０ａによって位置Ａから供給される反応ガスの流量が制御され、可変バルブ５０ｂによって位置Ｂから供給される反応ガスの流量が制御される。
【００３６】
また、図３（Ａ）の燃料電池１０のガス排出配管３０にも、二つの可変バルブ５２ａ，５２ｂが設けられており、これらにより、位置Ａおよび位置Ｂの各々から積層モジュール外へ排出される反応ガスの流量が制御される。つまり、可変バルブ５２ａによって位置Ａから排出される反応ガスの流量が制御され、可変バルブ５２ｂによって位置Ｂから排出される反応ガスの流量が制御される。
【００３７】
このため、本変形例では、可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）によって、各電池セル４０への反応ガスの分配量を制御することができる。
【００３８】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す燃料電池１０の各電池セル４０に分配される反応ガスのガス流量を説明するための図である。図３（Ｂ）の横軸は、複数の電池セル４０の積層方向の位置（積層位置）を示している。つまり、横軸は、位置Ａから位置Ｂまでの各積層位置を示している。また、図３（Ｂ）の縦軸は、各積層位置に存在する電池セル４０に分配される反応ガスの流量（ガス流量）を示している。
【００３９】
図３（Ｂ）には、可変バルブの調整によって得られる三通りの分配比率に対応するグラフが示されている。つまり、分配比率（０：１）のグラフは、位置Ｂのみから供給排出を行うように制御された状態を示し、分配比率（０．５：０．５）のグラフは、位置Ａおよび位置Ｂの両方から均等に供給排出を行うように制御された状態を示し、分配比率（１：０）のグラフは、位置Ａのみから供給排出を行うように制御された状態を示している。
【００４０】
分配比率（０：１）の状態では、位置Ａに対応した可変バルブ５０ａおよび可変バルブ５２ａは完全に閉じられている。そして、位置Ｂに対応した可変バルブ５０ｂおよび可変バルブ５２ｂが開けられている。このため、複数の電池セル４０で利用される反応ガスが位置Ｂの一箇所から纏めて供給され、さらに、複数の電池セル４０で利用され、収集された反応ガスが位置Ｂの一箇所から排出される。その結果、位置Ｂに分配されるガス流量に比べて位置Ａへ向かうに従ってガス流量が徐々に少なくなり、位置Ｂから最も遠い位置Ａが分配最弱部位となる。
【００４１】
また、分配比率（１：０）の状態では、位置Ｂに対応した可変バルブ５０ｂおよび可変バルブ５２ｂは完全に閉じられている。そして、位置Ａに対応した可変バルブ５０ａおよび可変バルブ５２ａが開けられている。このため、複数の電池セル４０で利用される反応ガスが位置Ａの一箇所から纏めて供給され、さらに、複数の電池セル４０で利用され、収集された反応ガスが位置Ａの一箇所から排出される。その結果、位置Ａに分配されるガス流量に比べて位置Ｂへ向かうに従ってガス流量が徐々に少なくなり、位置Ａから最も遠い位置Ｂが分配最弱部位となる。
【００４２】
そして、分配比率（０．５：０．５）の状態では、全ての可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）が開けられている。このため、複数の電池セル４０で利用される反応ガスが位置Ａおよび位置Ｂの二箇所からほぼ均等に纏めて供給され、さらに、複数の電池セル４０で利用され、収集された反応ガスが位置Ａおよび位置Ｂの二箇所からほぼ均等に排出される。その結果、分配比率（０．５：０．５）の場合には、中央の位置Ｃを分配最弱部位として、左右にほぼ線対称なグラフで表現される。
【００４３】
このように、図３（Ａ）に示す本変形例の燃料電池１０は、可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）を適宜調整することにより、位置Ａおよび位置Ｂにおける供給排出の配分を制御することができ、その結果、図３（Ｂ）に示したように、燃料電池１０の各電池セル４０に分配される反応ガスのガス流量を制御することが可能になる。
【００４４】
なお、図３（Ｂ）に示した各グラフは、積層モジュール全体に供給される反応ガスの流量に応じて図の上下方向に移動する。つまり、例えば、分配比率（０．５：０．５）のグラフは、この分配比率を保った状態で位置Ａおよび位置Ｂから供給される反応ガスの流量が増大することにより、図の上方へ全体的にシフトする。もちろん、この分配比率を保った状態で位置Ａおよび位置Ｂから供給される反応ガスの流量を減少させることにより、図の下方へ全体的にシフトさせることもできる。
【００４５】
また、図３に示した例では、三通りの分配比率のみを説明したが、本変形例では、可変バルブの開口量を適宜設定することにより、図３（Ｂ）に示す以外にも、（０：１）から（１：０）までの任意の分配比率を実現することができる。これにより、例えば、分配最弱部位を位置Ａから位置Ｂの任意の位置に設定することができる。このように、可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）は、配管からマニホールドに供給されるガス流量を調整する手段として機能する。つまり、複数の電池セル４０の積層方向で互いに異なる複数の位置（位置Ａおよび位置Ｂ）間のガス流量比を調整する流量調整手段として機能する。
【００４６】
さらに、本変形例では、各電池セル４０の分配状況を確認し、確認結果に基づいて可変バルブの開口量を調整することが望ましい。つまり、各電池セル４０に実際に供給されている反応ガスの流量を計測することで分配状況を確認し、確認した分配状況に応じて可変バルブの開口量を調整する。この際、各電池セル４０に実際に供給されている反応ガスの流量は、例えば、各電池セル４０の電圧から判断される。
【００４７】
なお、本変形例において、さらに、可変バルブ（符号５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ）の近傍に流量計を設置して、流量計で計測されるガス流量を参照して可変バルブを調整してもよい。
【００４８】
以上説明したように、本発明の実施形態（変形例を含む）により、反応ガスの分配のばらつきが小さくなり発電安定性が向上する。このため、本実施形態では、電池セル４０の積層枚数を増加させる設計が容易になることや、燃料ガスのストイキ比を低減させることなど、さらなる効果も期待される。
【００４９】
なお、上述した実施形態（変形例を含む）は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、本実施形態においては、位置Ａおよび位置Ｂの二箇所から反応ガスを供給排出する構成を示したが、三箇所以上の複数箇所から反応ガスを供給排出する構成でもよい。つまり、図１（Ａ）において、位置Ａおよび位置Ｂに加え、さらに位置Ｃから積層モジュール内の流路に反応ガスを供給するようにしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態においては、ガス供給配管２０およびガス排出配管３０が共に積層モジュールの外側に設けられているが、ガス供給配管２０およびガス排出配管３０の少なくとも一部が積層モジュール内に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明の比較例を説明するための図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の好適な実施形態（変形例）を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  燃料電池、４２  入力マニホールド、４４  出力マニホールド。
【図１】
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【図２】
2006286554.tif 000004
【図３】
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